출처 : https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2405/31/news055.html

중국계 기업을 필두로 LFP계 재료인 리튬인산철의 채용 사례가 눈에 띄기 시작했다. 리튬인산철의 채용에는 높은 안전성과 저렴한 비용과 같은 장점이 있는 한편, 낮은 에너지 밀도와 재활용 수익성에 대한 우려와 같은 단점도 존재한다.

리튬이온 전지의 양극 재료의 트렌드는 ‘코발트 프리’와 ‘사용 구분’이다. 이것은 비용적인 관점에서 희소 금속인 코발트를 피하려는 흐름과 재료가 저렴한 감람석철(LFP)계와 니켈 및 망간을 주체로 하는 그 외의 재료계로 이분화되며, 탑재되는 제품의 가격이나 성능에 따라 선택하면 된다는 개념이다.

하지만 당장의 실용화나 시장 투입 면에서 보면 ‘사용 구분’을 한다기보다는 중국계 기업을 필두로 LFP계 재료인 리튬인산철의 채용 사례가 많아지고 있다. 리튬인산철의 채용에는 높은 안전성과 저렴한 비용과 같은 장점이 있는 한편, 낮은 에너지 밀도와 재활용 수익성에 대한 우려와 같은 단점도 존재한다.

여기에서는 리튬인산철의 장단점과 함께 특징을 정리하고 해설한다.

▣ 리튬인산철의 장점

리튬인산철의 가장 큰 장점은 높은 안전성이다. 과충전 및 고온이라는 가혹한 사용 환경에서도 다른 양극 재료에 비해 파열 및 발화 위험성이 낮다. 이러한 높은 안전성은 리튬인산철의 결정 구조에서 기인한다.

리튬인산철은 감람석형으로 분류되는 결정 구조를 가지며, 리튬이온은 철, 인, 산소에 의해 형성되는 복잡한 구조체의 안을 결정축을 따라 1차원적으로 이동한다.

<그림> 감람석형 결정 모식도

결정 안에서의 인과 산소의 결합이 매우 강하기 때문에, 과충전 및 고온에서의 분해, 결정 구조 붕괴에 의한 산소 방출이 쉽게 일어나지 않아, 이상 발열이나 발화에 대한 안전성이 높다는 것이 특징이다.

산소 방출이 일어나는 분해 온도가 다른 재료보다 높아 위험한 영역에 쉽게 도달하지 않는다는 점이 리튬인산철의 안전성에 도움을 준다. 한편 어디까지나 ‘위험한 영역에 쉽게 도달하지 않는다’는 점, 즉 ‘타지 않는 것’이 아니라 ‘쉽게 타지 않는다’는 것이므로 운용상 주의할 필요가 있다. 실제로 리튬인산철계 재료를 채용하는 제품에서도 화재 사고가 일어난 사례가 존재한다.

예를 들어 2021년 4월에 베이징의 지메이홈 백화점의 다훙먼 저장 에너지 발전소에서는 폭발을 동반한 화재 사고가 발생, 불을 끄러 간 두 명의 소방관이 사망하는 사건이 있었다.

리튬인산철의 높은 안전성은 지금 큰 주목을 받게 된 이유이기도 하지만, 결코 재료 수준의 안전성만으로 최종적인 시스템 전체의 안전성이 확보되는 것은 아니라는 점에 유의하여 앞으로도 안전상의 위험성을 주시해야 한다.

▣ 안산철 리튬의 단점

리튬인산철의 대표적인 단점은 재료 단위에서의 전자 전도성 및 전지로 사용할 경우 에너지 밀도가 다른 양극 재료에 비해 낮다는 점이다. 개발 초기에는 전자 전도성 및 리튬이온 운송 특성이 낮아 전지 재료로는 맞지 않다고 여겨졌었지만, 현재는 나노 입자화 및 탄소 코팅과 같은 입자 가공 기술의 도입으로 성능이 크게 개선되어 실용화에 이르렀다.

또한 전지로 사용할 경우 에너지 밀도가 낮다는 문제점에 대해서도, 부피 효율적으로 더 많은 전지를 탑재하는 ‘모듈리스化 기술’을 통해 전지 당 낮은 에너지 밀도를 시스템 패키지로 집약하는 방법에 의해 상쇄하는 쪽으로 개발이 이루어지고 있다.

그밖에도 몇 가지 전지 특성에 대해 주의할 점들이 있다. 하나는 ‘메모리 효과’가 존재한다는 점이다. 일반적으로 리튬이온 전지에는 메모리 효과가 발생하지 않는다고 하지만, 리튬인산철을 사용하는 경우에는 미세하게나마 발생하는 사례가 보고된 바 있다.

또 다른 주의할 점은 ‘SOC 추정’이다. SOC는 ‘State Of Charge’의 약어로, 전지의 충전 상태를 나타내는 지표다. 전지의 용량과 전압에는 상관성이 있기 때문에 전압 계측 결과를 통해 전지 용량(SOC)을 추정하는 것이 일반적이지만, 리튬인산철을 사용하는 경우 다른 재료계보다 작동 전압이 일정해지는 구간이 많기 때문에 전압을 기준으로 하는 SOC 추정이 어려워진다.

리튬인산철의 또 다른 특징은 ‘저비용’이다. 확실히 리튬인산철의 원료는 비교적 저렴한 소재이기 때문에, 원료 비용 자체는 다른 리튬이온 전지의 양극 재료에 비해 낮다고 할 수 있다. 그런데 제품 전체의 비용은 원료비뿐 아니라 제조 프로세스 및 설비 투자, 연구개발비 등 많은 요소로 인해 결정된다.

리튬인산철은 앞서 기술한 재료 특성을 개선하기 위해 입자 가공 처리를 해야 하기 때문에, 원료비 외의 비용이 커지게 될 가능성이 있다. 또한 원료 자체가 모두 비교적 저렴한 소재이기 때문에, 재활용을 통한 비용 이익 및 채산성을 노리기 어렵다는 위험성도 있다.

그래도 리튬인산철에 한정된 이야기는 아니지만, 기술이 발전함에 따라 각종 프로세스가 개선되고 효율이 향상되고 있기는 하다. 예를 들어, 전지 재료를 재활용하는 Botree 등의 기업을 필두로 저렴한 선택적 리튬 추출 처리 기술의 개발이 검토되고 있으며, 적어도 중국 국내에서는 리튬인산철에 대한 리튬 재활용이 상업계에서 성립될 가능성이 있다.

이와 같은 점을 고려하면, 리튬인산철의 ‘비용’에 관한 문제는 단순한 장단점으로 취급할 것이 아니라 제조 및 재활용 프로세스의 개선 및 대량 생산의 효율 향상을 통해 그 비용 대비 효과가 달라질 것을 고려하여 앞으로도 동향을 주시해야 한다.

▣ 새로운 자원 문제를 유발한다는 우려도

마지막으로 자원 측면의 문제를 생각해 보자. 오늘날에는 ‘탈탄소’에 대한 의논에 주목을 받아 리튬이온 전지를 비롯한 전지 기술에 대해 CO2 배출량 절감에 기여할 것이 기대되고 있다. 하지만 원래는 CO2 배출량뿐 아니라 자원 소비량 등 그 밖의 요소도 통합적으로 분석했을 때의 환경 영향에 대해서도 생각해야 한다.

리튬인산철에 사용되는 ‘인’은 식량 생산 등에도 꼭 필요한 자원이며, 일설에 따르면 현재의 소비 속도로는 약 50~100년 정도면 고갈될 것이라고 한다.

희소 자원인 코발트의 사용량을 줄이기 위한 ‘코발트 프리’이긴 하지만, 전지 등에 적합한 고순도의 품질 좋은 인 자원은 산출 지역이 한정되어 있어, 새로운 자원 문제를 유발하게 되는 것이 아닌가 하는 우려의 목소리도 있으므로, 앞으로 주시해야 할 필요가 있다.

▣ 정리

이번에는 리튬인산철의 특징과 관련하여, 오늘날 흔히 듣게 되는 각종 장점과 단점을 고려하여 정리, 해설하였다.

일반적으로 장점으로 여겨지는 높은 안전성이나 저비용과 같은 특징조차도 다른 한쪽에서는 화재 사고나 원료비 이외의 비용과 같이 유의해야 하는 사항들이 존재한다. 또한 에너지 밀도나 재활용 수익성과 같은 단점으로 여겨지는 특징에 있어서도, 그 단점을 극복하기 위한 기술이 개발되고 있다.

리튬인산철을 포함하여 리튬이온 전지를 비롯한 전지 기술의 가능성은 계속해서 확장되고 있다. 일본 칼리트 수탁시험부에서는 앞으로도 수탁 시험을 통해 전지 개발에 공헌할 수 있도록 전지 평가에 힘쓸 것이다.